3Dプリンタ（付加製造技術）の展望

近年、ものづくりに大きなインパクトを与える技術として、3Dプリンタが世界的に大きな注目を集めている。本稿では、主として産業用の3Dプリンタについて、技術の種類と特徴、市場と今後の展望を考察する。

3Dプリンタは、3次元（3D）のCADデータをもとにコンピュータで薄い断面の形状を計算し、この計算結果をもとに材料を積層して3次元の造形物を得る技術を指す。通常の紙に出力する2次元（2D）のプリンタとの対比で直観的にわかりやすいことから、日本では3Dプリンタという用語が広く普及しているが、国際的にはAdditive Manufacturing Technology^※1付加製造技術^※2）という呼び方が正式とされている。本稿では、これ以降ASTM規格に従い、付加製造技術という表現を用いる。

付加製造技術が注目を集めている背景としては、個人向け低価格機種が販売され、「個人でもメーカーになれる」といったフレーズとともに話題に取り上げられるようになったことが挙げられる。また、米国政府が製造業の国際競争力強化のための戦略的分野と位置付けたことや、日本や中国でも政府による関連技術への研究開発投資が行われるようになったことも大きい。その他にも、表1.1に示すさまざまな動きがみられる。

特に個人向け製品に関しては、家電量販店やメディアなどで目にする機会が増えたため、これらを代表的な付加製造装置としてとらえている人も多いかもしれない。しかしながら、図1.1に示す通り、付加製造装置は個人向けに展開されている製品とは別に、産業用製品の市場があり、造形精度や材料の選択性は格段に高い。したがって個人向け製品だけで付加製造技術全体ととらえると、その可能性を過小評価することになる。

付加製造で使われる材料を立体的に造形する方法、つまり出力方式はASTMによって7種類に分類され、名称が統一されている（表2.1）。

このうち、個人向けの廉価品が上市されているのは、すでに特許が失効した材料押出方式によるもので、認知度も高い。しかしながら、表2.1に示す通り出力方式はさまざまであり、目的とする造形物の特性にあわせて装置を選択することが必要となる。

付加製造は製造業のあり方を変える、とも期待されている。しかし、従来の材料加工法と比較して得意な点と不得意な点があり、当面は既存の生産プロセスを根底から揺るがす存在になるとは考えにくい。むしろ、従来技術との使い分けにより、それぞれの強みを活かした生産の高度化、効率化が進むと考えられる。

従来の大量生産では迅速かつ安価に同一サイズ、同一形状のものを生産できるのに比べ、付加製造では、3次元データをさまざまに設計できる、データから直接的に作製できる（金型が不要）、複雑形状を製造できる、という特長がある。一方で、出力には数時間から数十時間もの時間がかかる、利用可能な材料の種類が限られる、用途によっては耐熱性や強度、耐久性、質感が不十分などの課題もある。

上記の特徴をふまえると、製造業における付加製造の活用方法としては、大きく2つの方向性が考えられる（図2.1）。1つ目は付加製造の設計の柔軟性や設計から生産までの簡便性を活かしたものづくりで、1点ものや小ロット品の生産である。コンセプトモデル、試作品、金型、福祉装具（補聴器、義肢）、歯科用具（矯正治療装置、入れ歯、クラウン）、医療用具（人工骨、手術支援モデル）、航空機部品などの製造に用いられている。

2つ目は、従来の加工法では作製が困難な複雑形状の作製で、効率的な熱交換を実現する流路、意匠性の高い服飾などへの応用例がある。学術的には、再生医療用の細胞培養の足場材やフォトニック結晶のように、複雑な3次元構造によって機能を発揮する部材を付加製造によって作製する研究が活発化しており、今後、複雑構造を活かした新しいものづくりの開拓が期待される。

米国ウォーラーズ・アソシエイツ社の調査によれば、付加製造装置や材料、サービス（メンテナンス、研修、ソフトなどを含む）をあわせた関連世界市場は、2012年に22億ドル（約2,200億円）に達した。市場は1990年以降、安定的に成長してきたが、特に2010年から2012年の伸びが大きく、年率27％で拡大している。ただし、台数ベースでみると、産業用向け製品の2012年の販売数は世界全体で7,800台程度であり、産業用の装置としてはまだ普及が始まったばかりといえるだろう。

表2.1に示した通り、付加製造装置メーカーとしてはさまざまな企業が参入しているが、産業用製品の累積販売数のシェアでみると、米国の2社（ストラタシス社と3Dシステムス社）が全体の8割を占めている。装置の導入が最も進んでいるのも米国であり、付加製造の世界市場は米国がリードしている。

付加製造技術は基本原理が発明された1980年代から着実に進化し、市場も拡大を続けているが、技術的にはまだ課題が残っている（表4.1）。試作品やコンセプトモデルといった、造形物の特性が問題にならない用途だけではなく、耐久性や実用性を備えた部品・製品の製造向けに利用が拡大し、広く普及するかどうかは、これらの技術課題をクリアできるかどうかが鍵となる。その意味では、技術力を背景とした参入の余地はまだ大きいと言える。

付加製造は、材料を積層しながら造形する新しい加工法であり、従来の大量生産技術と比べて得意な点と不得意な点がある。今のところ、生産性という点では大量生産が圧倒的に優位であり、付加製造は1点ものや複雑形状の作製を得意とする。

付加製造の市場はまだ黎明期にあり、今後どのように普及していくかは未知数である。しかしながら、その強みを活かした導入の検討が、製造業における生産の高度化、効率化の進展、ひいては日本のものづくりの競争力強化につながる。今後も、付加製造の技術動向、市場動向を注視し、その将来性を踏まえながら、想像力を働かせて用途の可能性を探ることが必要となろう。